鈦合金是19世紀40年代之后發展起來的新型金屬結構材料，其主要特點是密度小、強度高，尤其是比強度(強度/密度)高，同時具有良好的耐熱性和耐蝕性能，因此鈦合金首先在航空工業中得到應用，同時航空工業也是鈦合金的主要使用部門 [1] 。因鈦合金耐蝕性能優異，在化學工業中的泵體和管道上、建筑、體育休閑、食品、制藥、生物材料、能源、海洋、汽車中也得到了強勁應用，隨著鈦合金成本的逐步降低，它在民用領域內的應用必將更加廣泛 [2-5] 。

1、鈦合金物理特性及分類

純鈦是銀灰色金屬，具有良好的塑性和冷熱成形性能，強度低，可通過合金化的方法獲得所需性能的合金。純鈦熔點1668℃，密度4.54g/cm³ ，純鈦在882.5℃時發生同素異晶轉變。在882.5℃以下為密排六方晶格，稱為α-Ti；882.5℃以上為體心立方晶格，稱為β-Ti，β-Ti耐熱性較差，但工藝塑性較好，易于鍛造 [6] 。

鈦和鈦合金的導熱性差、化學活性高，對引起其脆性的氫、氧和氮很敏感，給冶煉、機械加工、熱處理帶來不少困難，并且造成生產成本較高 [7] 。

按照退火狀態的相組成分類，可將鈦合金劃分為三大類：α型、α+β型和β型鈦合金。還可把α+β型鈦合金再進一步細分為近α型、α+β型和近β型3類 [8] 。

2、鈦板的自由鍛造工藝準備

本次實驗使用陜西寶雞某鈦業公司的20件鈦板鍛件進行實驗，材質為TA1/TA2(工業純鈦)，材料規格φ450 mm×2100 mm，質量為1505 kg。為了提高實驗的材料利用率，盡量減少機械加工量，同時嚴格要求樣板尺寸，為獲得理想的內部組織，要求必須一火次鍛成，鍛件圖見圖1。其內控技術要求為：

①板坯板面平整，棱角方正。鍛件表面不得有裂紋、凹坑、折皺等缺陷。

②板面不平度≤5 mm/m，板坯厚度差≤4 mm，板寬厚度差≤5 mm。

③必須一火次鍛成。

(1) 鍛造的熱力學規范。

鈦合金的組織和性能基本上取決于合金的化學成分和熱處理。但是鍛造溫度范圍、變形程度和變形速度等熱力學規范參數，對鈦合金鍛件的組織以及性能有很大的影響 [9] 。

從利用金屬塑性的角度出發，鈦合金的始鍛溫度越高越好，但像α+β鈦合金或α鈦合金，如果始鍛溫度超過合金的β轉變溫度(T β )，由于晶粒劇烈長大，鍛后會形成魏氏組織，鍛件的室溫塑性很低。

而TA1/TA2的T β =885~900℃，因此鍛造溫度區間定為800~900℃。鈦合金的鍛造溫度區間較窄是鈦合金鍛造比較困難的原因之一 [10] 。

由于本實驗使用的是天然氣加熱爐，因此要求爐中保持微氧化氣氛，盡可能降低氫對鈦錠表面的污染。

(2) 鈦板的收縮率。

鈦合金收縮率比鋼小的多，一般為0.5%~0.7%；同時鈦板終鍛溫度較低，因此收縮率取0.4%~0.5%即可。

(3) 鈦板自由鍛工裝。

為本實驗專門設計制造了一件長上砧。砧寬550 mm，長2300 mm；工作表面加工粗糙度小，Ra=3.2；邊緣倒較大圓角；鍛造前砧子預熱溫度200~300℃。

(4) 鈦錠的表面潤滑。

鈦合金化學性質活潑，在高溫劇烈變形時，金屬流動產生的新鮮表面容易粘在模具上 [11] 。選用玻璃防護潤滑劑可以減少氧化皮，起潤滑作用和防護作用。玻璃防護潤滑劑能保護鈦合金免受H₂ 、O₂ 、N₂污染形成表面α脆化層而導致產生鍛造裂紋。由于試驗用鈦錠去除了表面氧化皮，因此要提前24h刷涂玻璃防護潤滑劑，自然風干，然后裝爐。

3、編制鍛造工藝的原則

工藝指導原則

(1) 由于TA1/TA2屬于工業純鈦，為α型鈦合金。在嚴格控制一火次鍛成的情況下，鈦錠的始鍛溫度控制在(900±10)℃，即在β相轉變溫度T β 下鍛造。在此狀態下工藝塑性較好，利于塑性變形。但該狀態下開始變形時的主要鍛造特點是晶粒較粗大，必須給予較大的變形量，使晶粒細化。因此開始鍛造時必須給予大變形量，則既可獲得較細的晶粒度，又能減少因溫度較低產生表面裂紋的幾率。待接近成品尺寸時，留一些修整量即可。

(2) 由于鈦合金的變形抗力隨著溫度的升高顯著下降。因此在高溫區需要大變形量展寬時盡可能展寬，并留出一定的寬度修整量，而不要急于鍛出棱邊，否則由于棱邊降溫快，棱邊的牽制效應，高溫區材料的流動被低溫區棱邊固定，最終造成鍛件頻繁修整。

(3) 在展寬獲得足夠寬度的情況下，鍛出棱邊，由于厚度尺寸已經鍛到最終尺寸，修整量并不大，以利于快速修整出最終成品。

成形工藝特點

(1) 常規鍛打方塊工藝。

常規鍛打方塊工藝方案的優點是鍛打方法較成熟，缺點是三個面反復翻轉，厚度較薄，鐓粗易彎曲，三個方向尺寸不易控制，金屬流動控制較難。

(2) 鍛打拔長工藝。

由于鈦錠的截面尺寸較小(約φ450 mm左右)，不能采用拔料的方法直接鍛出圖紙截面尺寸，必須先采取鐓粗辦法，增加截面積，為后續展寬做鋪墊。鍛打拔長工藝方法的最大優點是金屬流動有規律，寬度和厚度尺寸容易控制，長度不限。工藝路線為：首先展寬，保證一定的厚度，立起鐓粗；再展寬，鐓粗，鍛出4個角；平整；立起，壓棱邊；翻轉90°平厚度；再轉90°壓棱邊；平整，完成成品。

鍛打拔長工藝方案

鍛打拔長工藝方案的具體鍛造工藝為：

(1) 先對坯料進行壓扁，然后鐓粗，增加截面積。坯料先壓扁至厚度250 mm，寬度約600 mm，然后立起鐓粗，增加截面積，同時盡可能鍛出4個角，壓下量200 mm，翻轉180°再鐓粗，壓下量200 mm，也就是說本序總壓下量約400 mm左右，見圖2和圖3。至此坯料尺寸為：高度約1700 mm，寬度約700 mm，厚度約280 mm。

(2) 平放坯料，再用上平砧下平臺進行壓扁操作，盡可能展寬，控制厚度170 mm，寬度最大1020 mm，長度約1050 mm。立起鐓粗，主要目標是規整4個角，壓下量約50 mm.，翻轉180°再鐓粗，壓下量50 mm，見圖4和圖5。

(3) 豎起壓棱邊。由于寬度展寬至1020~1050 mm，有足夠的余量壓棱邊。送進量不太大，約300 mm，主要目的是在起棱邊的同時讓多余料盡可能多的沿長度方向延伸。鍛壓過一道次后再翻轉180°再壓一道次，控制寬度尺寸900 mm，見圖6。

(4) 平放展長度。由于前面壓棱邊鐓粗導致厚度尺寸增大到約200 mm，這時必須通過拔長的方法進行長度延伸而又不過分展寬，必須控制送進量，送進量不能太大，控制在300 mm左右，鍛壓過一道次后再翻轉180°再壓一道次。

(5) 立起鐓粗平整兩端面，鐓粗可以分2次鍛壓，也可以分3~4次鍛壓，修整鍛件，最后完成成品，見圖7和圖8。

4、結束語

采用材質為TA1/TA2的鈦合金進行鈦合金板鍛造工藝的研究，對比分析了常規鍛打方塊工藝和鍛打拔長工藝的優缺點，詳細介紹了鍛打拔長工藝。

得出鈦合金板鍛造的鍛打拔長工藝方案的具體工步為：先對坯料進行壓扁，然后鐓粗；平放坯料，再用平砧下平臺進行壓扁；豎起壓棱邊；平放展長度；立起鐓粗平整兩端面，最終得到理想的成品。

參考文獻

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[2] 趙張龍，李暉，郭鴻鎮，等. 粉末鈦合金鍛造技術研究進展. 精密成形工程，2015，7(6)：31

[3] 汪波，曾衛東，彭雯雯. 不同鍛造工藝對TC4鈦合金棒材顯微組織與力學性能的影響. 鈦工業進展，2014，31(5)：14

[4] 郭拉鳳，朱艷春，孔虎星，等. 鈦合金復雜構件等溫鍛造工藝研究. 稀有金屬，2012，36(3)：357

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[9] 李卓梁，丁樺，李繼忠. 鈦及鈦合金劇烈塑性變形的研究進展. 航空制造技術，2013，34(16)：139

[10] 曹穎璽. 鈦合金鍛造軟包套工藝應用研究. 航空維修與工程，2015(12)：92

[11] 劉興旺. 鈦合金常見鍛造缺陷及預防策略. 黑龍江科技信息，2016(3)：28

作者簡介：李七平(1987—)，男，甘肅會寧人，大學本科，助理工程師，主要從事材料研發方面的工作。

通訊作者：潘強(1987—)，男，甘肅會寧人，大學本科，助理工程師，主要從事材料研發方面的工作。

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